光电测距（电磁波测距、激光测距、红外测距）

视距测量操作简单、实用范围广，但测距短、精度低，使用受到限制。电磁波测距是用电磁波作为载波，传输测距信号来测量两点间距离的一种测距方法。与传统测距方法相比，它具有精度高、测程远、作业快、几乎不受地形条件限制等优点。电磁波测距仪按其所用的载波可分为：①用微波作为载波的微波测距仪；②用激光作为载波的激光测距仪；③用红外光作为载波的红外测距仪，后两者统称光电测距仪。微波测距仪与激光测距仪多用于长距离测距，测程可达数十千米，一般用于大地测量。红外测距仪属于中、短程测距仪，一般用于小地区控制测量、地形测量和各种工程测量。本节主要介绍光电测距仪。

一、光电测距仪的分类

测距仪按测程分，有远程（15km以上）、中程（3～15km）和短程（3km以内）三类。

按测距精度划分为Ⅰ级（|m D|≤5mm）、Ⅱ级（5mm＜|m D|≤10mm）和Ⅲ级（10mm＜|m D|≤20mm）测距仪，其中|m D|为1km的测距中误差。

光电测距仪的精度是仪器的重要技术指标之一。光电测距仪的标称精度公式为

式中：A为固定误差，mm；B为比例误差，mm；D为距离，km；1ppm=1×10-6。

故上式可写成

二、光电测距原理

如图4-3所示，欲测定地面A，B两点之间的距离D，在A点安置光电测距仪，在B点安置反射棱镜（又称反光镜），测距仪发出的光波传播到反光镜后被反射回来，又被光电测距仪接收，如果从光波发射到接收经历的时间为t，则距离D为

图4-3　光电测距原理

视频4-1

从式（4-9）可知，由于光速c恒定，所以测距仪测量距离的精度取决于仪器测定时间的精度。根据时间测定方法的不同，测距仪可分为脉冲式（直接测定时间）测距仪和相位式（间接测定时间）测距仪两种。由于脉冲宽度和测距仪计时分辨率的限制，脉冲式测距的精度较低，因此，一般精密测距仪都采用相位式间接测定时间。

（一）脉冲式光电测距

脉冲式光电测距就是直接测定仪器所发射的脉冲信号往返于被测距离的传播时间以获得距离。

图4-4　脉冲式光电测距仪工作原理图

图4-4是脉冲式光电测距仪工作原理图。测距时，首先由光脉冲发射器发射一束光脉冲，经发射光学系统射向被测目标，同时一小部分光束进入光电接收器，转换为电脉冲（称为主波脉冲），把电子门打开；此时时标振荡器产生的具有一定时间间隔T的时标脉冲通过电子门进入计数系统。从目标反射回来的光脉冲也被光电接收器接收，转换为电脉冲（称为回波脉冲），并把电子门关闭，时标脉冲停止进入计数系统。假如在“开门”和“关门”之间有n个时标脉冲进入计数系统，则光脉冲在测距仪和目标之间的往返时间间隔t=n T。由式（4-9）可以求出待测距离

令，则

由于计数器只能记录整数个时钟脉冲，不足一周期的时间被丢掉了。测距精度较低，为米级到分米级。随着电子技术的发展，采用细分时标脉冲的方法，测距精度可达到毫米级。

目前的脉冲式测距仪，一般用固体激光器发射高频率的光脉冲，在一定距离内不用合作目标（如反射镜）就能用漫反射进行测距，减轻了劳动强度，提高了作业效率。

（二）相位式光电测距

1.相位式光电测距原理

相位法测距通过测量调制光波在待测距离上往返传播所产生的相位移，来解算距离D。基本工作原理如图4-5所示。

图4-5　相位式光电测距仪工作原理

将调制光的往程和返程展开，得到如图4-6所示的波形。设光波的波长为λ，如果整个过程光传播的整波长数为N，最后一段不足整波长，其相位差为Δφ（数值小于2π），对应的整波长数为Δφ/2π，可见图中AB间的距离为全程的一半，即

图4-6　相位法测距的原理

令则有

式（4-12）为相位法测距的基本公式。这种测距方法相当于用一把长度为u的尺子丈量待测距离，这把“尺子”称为“光尺”。

相位式光电测距仪只能测出不足2π的相位差Δφ，测不出整波长数N，距离D无法确定。

2.N值的确定

由式（4-12）可以看出，当测尺长度u大于待测距离D时，N=0，此时可以求得确定的距离。为了扩大测程，应选择波长λ比较大的光尺，即降低调制频率。但光尺越长，误差越大。为了解决扩大测程和提高精度的矛盾，短程光电测距仪通常采用多个调制频率，即多种光尺进行组合测距。具体关系见表4-1。

表4-1　测尺频率与测量精度的关系

三、距离改正

电磁波测距过程中需要进行一系列的改正，主要包括：加常数改正、乘常数改正、气象改正、倾斜改正等。

1.加常数改正

测距仪的距离起算中心与仪器的安置中心不一致，反射镜等效反射面与反射镜安置中心不一致，致使仪器测定的距离与实际距离不相等，其差值与所测距离的长短无关，称为测距仪的加常数，常用K表示。加常数包含仪器加常数和反射镜加常数，加常数为一固定值，在仪器出厂时已经测出，可预置在仪器中。但是仪器使用一段时间后，加常数可能会变化，需要定期进行检校。

2.乘常数改正

在测距仪使用过程中，实际的调制光频率和设计的标准频率可能会有偏差，导致测距仪所测结果出现与距离有关的系统性的偏差。可以通过对距离结果乘以一个系数进行改正，该系数称为频率改正数或乘常数，常用R表示。乘常数可通过一定的检测方法求得，必要时对观测成果进行改正。

3.气象改正

从电磁波测距仪的原理来看，距离测量精度与光速有很大关系，而光的传播速度又受大气状态（温度、气压、湿度等）的影响。仪器制造时只能选择某个大气状态（假定大气状态）来确定调制光的波长。实际工作过程中的大气状态一般与假定大气状态不同，导致测尺长度发生变化，使所测距离成果含有系统误差，因而必须进行气象改正。在仪器的使用说明书中一般会给出气象改正的计算公式，不同型号的测距仪，假定大气状态不同，气象改正公式中的系数也不同。如南方NTS-332RM型全站仪，在气压为1013hPa，温度为20℃大气状态下，大气改正的计算公式为

式中：P为气压，h Pa，若使用的气压单位是mm Hg时，按1mm Hg=1.333h Pa进行换算；T为温度， ℃；PPM为大气改正值，mm。

自测4-1

4.倾斜改正

测距仪测得的距离观测值经加常数、乘常数和气象改正后，得到改正后的倾斜距离S。而一般测量要得到水平距离，因此需要进行倾斜改正。倾斜改正有两种方式：一种是根据测线两端之间的高差求出倾斜改正数，目前不太常用；第二种是在测量斜距的同时，测出测线的竖直角α，按照式（4-13）直接计算水平距离。

四、光电测距仪的使用

原来单一的光电测距仪一般都是配合经纬仪使用，这种模式现在已经基本淘汰。目前光电测距仪都是集成在全站仪和测量机器人等仪器里面。以下以全站仪测量距离为例，讲解光电测距仪的使用。

（一）安置仪器

在测站上架设全站仪，将仪器对中，整平，在目标点安置反射棱镜，对中，整平，并使镜面朝向主机。

（二）设置测距参数

1.温度和气压

首先用温度计和气压计分别测量气温和气压，在仪器设置菜单中找到相应的项目，输入测量的气温T和气压P。有的仪器带有气温和气压自动测量装置，图4-7为南方NTS-332RM型全站仪气象改正设置界面。在温度气压自动补偿开关关闭时，输入气温和气压测量值，若打开自动补偿，则不须设置温度、气压，仪器自动检测温度、气压并进行PPM补偿。

2.反射棱镜常数

国产棱镜的反射棱镜常数一般为-30mm，而进口棱镜为0mm，若使用的棱镜不是配套棱镜，则必须设置相应的棱镜常数，如图4-8所示。设置棱镜常数后，关机后该常数仍被保存。

图4-7　气象改正设置界面

图4-8　棱镜常数设置界面

（三）距离测量

调节全站仪，使全站仪望远镜精确瞄准棱镜中心，可根据蜂鸣器声音来判断瞄准的程度，信号越强声音越大，上下左右微动全站仪，蜂鸣器的声音达到最大时，便完成了精确瞄准。完成精确瞄准后，轻轻按动测距按钮，直到显示测距成果并记录。

仪器参数设置

道路测量